Postęp technologii epitaksjalnej SiC 200 mm we włoskiej firmie LPE

Wstęp

SIC jest lepszy od SI w wielu zastosowaniach ze względu na jego doskonałe właściwości elektroniczne, takie jak stabilność wysokiej temperatury, szerokie pasmowe, wytrzymałość pola elektrycznego i wysoka przewodność cieplna. Obecnie dostępność systemów trakcji pojazdów elektrycznych jest znacznie ulepszona ze względu na wyższe prędkości przełączania, wyższe temperatury robocze i niższą oporność termiczną tranzystorów pola półprzewodników (MOSFET). Rynek urządzeń energetycznych opartych na SIC rozrósł się bardzo szybko w ciągu ostatnich kilku lat; Dlatego wzrosło zapotrzebowanie na wysokiej jakości, wolne od wad i jednolitych materiałów SIC.

W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci dostawcy podłoża 4H-SIC byli w stanie skalować średnice opłat od 2 cali do 150 mm (utrzymując tę ​​samą jakość kryształu). Obecnie rozmiar opłatek do głównego nurtu urządzeń SIC wynosi 150 mm, a aby obniżyć koszt produkcji na urządzenie jednostkowe, niektórzy producenci urządzeń znajdują się na wczesnym etapie ustanowienia 200 mm FAB. Aby osiągnąć ten cel, oprócz potrzeby dostępnych w handlu 200 mM SIC, zdolność do wykonywania jednolitej epitaxii SIC jest również pożądana. Dlatego po uzyskaniu dobrej jakości 200 mM substratów SIC kolejnym wyzwaniem będzie wykonanie wysokiej jakości wzrostu epitaksjalnego na tych podłożach. LPE zaprojektowało i zbudowało poziomą pojedynczą kryształową ścianę w pełni zautomatyzowany reaktor CVD (o nazwie PE1O8) wyposażony w wieloprezyjny system implantacji, który może przetwarzać do 200 mm substratów SIC. Tutaj zgłaszamy jego wydajność na epitaxy 150 mm 4H-SIC, a także wstępne wyniki na epiwafach 200 mm.

Wyniki i dyskusja

PE1O8 to w pełni zautomatyzowany system kasety na kasetę zaprojektowany do przetwarzania do 200 mm wafle SIC. Format można przełączać między 150 a 200 mm, minimalizując przestoje narzędzia. Zmniejszenie etapów grzewczych zwiększa wydajność, a automatyzacja zmniejsza pracę i poprawia jakość i powtarzalność. Aby zapewnić wydajny i kompetencyjny proces epitaksji, odnotowano trzy główne czynniki: 1) szybki proces, 2) wysoka jednolitość grubości i domieszkowanie, 3) zminimalizowane tworzenie wad podczas procesu epitaxy. W PE1O8 mała masa grafitowa i zautomatyzowany system ładowania/rozładunku umożliwiają ukończenie standardowego przebiegu w mniej niż 75 minut (standardowy przepis diodowy Schottky 10 μm wykorzystuje szybkość wzrostu 30 μm/h). Zautomatyzowany system umożliwia ładowanie/rozładunek w wysokich temperaturach. W rezultacie zarówno czasy ogrzewania, jak i chłodzenia są krótkie, a już tłumią etap pieczenia. Takie idealne warunki pozwalają na rozwój prawdziwie nieopatrzonego materiału.

Zakres sprzętu i jego trójbojowego systemu wtrysku powoduje wszechstronny system o wysokiej wydajności zarówno w jednorodności domieszkowania, jak i grubości. Przeprowadzono to przy użyciu symulacji obliczeniowej dynamiki płynu (CFD) w celu zapewnienia porównywalnego przepływu gazu i jednolitości temperatury dla formatów podłoża 150 mm i 200 mm. Jak pokazano na rycinie 1, ten nowy system wtrysku dostarcza równomiernie gaz w środkowych i bocznych częściach komory osadzającej. System mieszania gazu umożliwia zmienność lokalnie rozłożonej chemii gazu, dodatkowo zwiększając liczbę regulowanych parametrów procesu w celu zoptymalizowania wzrostu epitaksjalnego.

Rysunek 1 Symulowana wielkość prędkości gazu (na górze) i temperatura gazu (na dole) w komorze procesowej PE1O8 w płaszczyźnie znajdującej się 10 mm nad podłożem.

Inne funkcje obejmują ulepszony system rotacji gazu, który wykorzystuje algorytm sterowania ze sprzężeniem zwrotnym w celu wygładzenia wydajności i bezpośredniego pomiaru prędkości obrotowej, a także nową generację PID do kontroli temperatury. Parametry procesu epitaksji. W prototypowej komorze opracowano proces wzrostu epitaksjalnego 4H-SiC typu n. Jako prekursory atomów krzemu i węgla stosowano trichlorosilan i etylen; Jako gaz nośny zastosowano H2, a do domieszkowania typu n użyto azotu. Do wyhodowania epiwarstw 4H-SiC domieszkowanych n o grubości 150 mm i o grubości 200 mm z powierzchnią krzemową zastosowano podłoża SiC o grubości 150 mm oraz podłoża SiC o grubości 200 mm do celów badawczych. Powierzchnię podłoża trawiono in situ strumieniem H2 w podwyższonej temperaturze. Po tym etapie wytrawiania wyhodowano warstwę buforową typu n przy niskiej szybkości wzrostu i niskim stosunku C/Si w celu przygotowania warstwy wygładzającej. Na wierzchu tej warstwy buforowej osadzono warstwę aktywną o dużej szybkości wzrostu (30 μm/h) przy zastosowaniu wyższego stosunku C/Si. Opracowany proces został następnie przeniesiony do reaktora PE1O8 zainstalowanego w szwedzkim zakładzie ST. Podobne parametry procesu i rozkład gazu zastosowano dla próbek o średnicy 150 mm i 200 mm. Dokładne dostrojenie parametrów wzrostu odłożono do przyszłych badań ze względu na ograniczoną liczbę dostępnych podłoży o grubości 200 mm.

Grubość pozorną i właściwości domieszkowania próbek oceniano odpowiednio za pomocą sondy rtęciowej FTIR i CV. Morfologię powierzchni badano za pomocą mikroskopii różnicowo-interferencyjnej Nomarskiego (NDIC), a gęstość defektów epiwarstw mierzono metodą Candela. Wstępne wyniki. Wstępne wyniki domieszkowania i jednorodności grubości epitaksjalnie rosnących próbek o średnicach 150 mm i 200 mm przetwarzanych w komorze prototypowej przedstawiono na rysunku 2. Epiwarstwy rosły równomiernie na powierzchni podłoży o grubościach 150 mm i 200 mm, przy zmianach grubości (σ/średnia ) odpowiednio zaledwie 0,4% i 1,4%, a różnice w domieszkowaniu (średnia σ) zaledwie 1,1% i 5,6%. Wewnętrzne wartości domieszkowania wynosiły w przybliżeniu 1×1014 cm-3.

Rysunek 2 Grubość i profile domieszkowania epiwafli o średnicy 200 mm i 150 mm.

Powtarzalność procesu zbadano poprzez porównanie zmian od biegania do biegania, co powoduje zmiany grubości zaledwie 0,7%, a zmiany domieszkowania tak niskie jak 3,1%. Jak pokazano na rycinie 3, nowe wyniki procesu 200 mm są porównywalne z najnowocześniejszymi wynikami uzyskanymi wcześniej na 150 mm przez reaktor PE1O6.

Rysunek 3 Grubość warstwa po warstwie i jednorodność domieszkowania próbki o średnicy 200 mm przetworzonej w komorze prototypowej (na górze) i najnowocześniejszej próbki o średnicy 150 mm wytworzonej z PE1O6 (na dole).

Jeśli chodzi o morfologię powierzchni próbek, mikroskopia NDIC potwierdziła gładką powierzchnię z chropowatością poniżej wykrywalnego zakresu mikroskopu. Wyniki PE1O8. Proces został następnie przeniesiony do reaktora PE1O8. Grubość i jednorodność domieszkowania 200 mm Epiwafery pokazano na rycinie 4. Epilaje rosną równomiernie wzdłuż powierzchni podłoża o zmienności grubości i domieszkowaniu (σ/średnia) tak niskim jak 2,1% i 3,3%.

Rysunek 4 Grubość i profil domieszkowania 200 mm epiwafla w reaktorze PE1O8.

Aby zbadać gęstość defektów waflowych epitaksjalnie, zastosowano Candela. Jak pokazano na rysunku. Całkowitą gęstości wad 5 tak niskich jak 1,43 cm-2 i 3,06 cm-2 osiągnięto odpowiednio na próbkach 150 mm i 200 mm. Całkowity dostępny obszar (TUA) po epitaksji obliczono zatem na 97% i 92% odpowiednio dla próbek 150 mm i 200 mm. Warto wspomnieć, że wyniki te zostały osiągnięte dopiero po kilku przebiegach i można je dodatkowo ulepszyć poprzez dopracowanie parametrów procesu.

Rycina 5 Mapy defektu Candela o grubości 6 μm 200 mm (po lewej) i 150 mm (po prawej) epiwafery uprawiane z PE1O8.

Wniosek

W tym artykule przedstawiono nowo zaprojektowany reaktor CVD PE1O8 Hot Wall i jego zdolność do wykonywania jednolitej epitaxy 4H-SIC na podłożach 200 mm. Wstępne wyniki na 200 mm są bardzo obiecujące, z wariantami grubości tak niskimi jak 2,1% na powierzchni próbki i wariantami wydajności dopracowania zaledwie 3,3% na powierzchni próbki. TUA po epitaksji obliczono na 97% i 92% odpowiednio dla próbek 150 mm i 200 mm, a przewiduje się, że TUA dla 200 mm poprawi się w przyszłości przy wyższej jakości podłoża. Biorąc pod uwagę, że zgłoszone tutaj wyniki na podłożach 200 mm są oparte na kilku zestawach testów, uważamy, że możliwe będzie dalsze ulepszenie wyników, które są już zbliżone do najnowocześniejszych wyników na próbkach 150 mm, według próbek 150 mm, dopracowanie parametrów wzrostu.